Какие причины вызывающие искрение возникают при замедленной коммутации

Криволинейная замедленная коммутация

При работе машины постоянного тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. Площадь контакта щетки выбирают по значению рабочего тока машины, приходящегося на одну щетку, в соот­ветствии с допустимой плотностью тока для вы­бранной марки щеток. Если по какой-то причине щетка прилегает к коллектору не всей поверхно­стью, то возникают чрезмерные местные плотности тока, приводящие к искрению на коллекторе.

Причины, вызывающие искрение на коллекторе, разделяют на механические, потенциальные и ком­мутационные.

Механические причины искрения – сла­бое давление щеток на коллектор, биение коллекто­ра, его эллиптичность или негладкая поверхность, загрязнение поверхности коллектора, выступание миканитовой изоляции над медными пластинами, неплотное закрепление траверсы, пальцев или щет­кодержателей, а также другие причины, вызываю­щие нарушение электрического контакта между щеткой и коллектором.

Потенциальные причины искрения появ­ляются при возникновении напряжения между смежными коллекторными пластинами, превышаю­щего допустимое значение (см. § 25.5). В этом слу­чае искрение наиболее опасно, так как оно обычно сопровождается появлением на коллекторе электри­ческих дуг.

Коммутационные причины искрения соз­даются физическими процессами, происходящими в машине при переходе секций обмотки якоря из од­ной параллельной ветви в другую.

Иногда искрение вызывается целым комплексом причин. Выяснение причин искрения следует начи­нать с механических, так как их обнаруживают ос­мотром коллектора и щеточного устройства. Труд­нее обнаружить и устранить коммутационные причины искрения.

При выпуске готовой машины с завода в ней настраивают темную коммутацию, исключающую какое-либо искрение. Од­нако в процессе эксплуатации машины, по мере износа коллектора и щеток, возможно появление искрения. В некоторых случаях оно может быть значительным и опасным, тогда машину необходи­мо остановить для выяснения и устранения причин искрения. Однако небольшое искрение в машинах общего назначения обычно допустимо.

Согласно ГОСТу, искрение на коллекторе оценивается степе­нью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки.

Степень 1 — искрения нет (темная коммутация).

Степень 1 1/ ₄ — слабое искрение под небольшой частью щет­ки, не вызывающее почернения коллектора и появления нагара на щетках.

Степень 1 1/ ₂ — слабое искрение под большей частью щет­ки, приводящее к появлению следов почернения на коллекторе, легко устраняемого протиранием поверхности коллектора бензи­ном, и следов нагара на щетках.

Степень 2 — искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и при перегрузке. Приводит к появлению следов почернения на коллекторе, не уст­раняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках.

Степень 3 — значительное искрение под всем краем щетки с появлением крупных вылетающих искр, приводящее к значи­тельному почернению коллектора, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также к подгару и разруше­нию щеток. Допускается только для моментов прямого (безрео­статного) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для даль­нейшей работы.

Если допустимая степень искрения в паспорте электрической машины не указана, то при номинальной нагрузке она не должна превышать 1 1/ ₂.

При вращении якоря машины постоянного тока коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с одной пластины (сбегающей) на дру­гую (набегающую) сопровождается переключением секции об­мотки из одной параллельной ветви в другую и изменением как значения, так и направления тока в этой секции. Процесс пере­ключения секции из одной параллельной ветви в другую и сопро­вождающие его явления называются коммутацией.

Секция, в которой происходит коммутация, называется ком­мутирующей, а продолжительность процесса коммутации — пе­риодом коммутации:

где b_щ — ширина щетки; К — число коллекторных пластин; n — частота вращения якоря, об/мин; b_к — расстояние между серединами соседних коллекторных пластин (коллекторное деление).

Сложность процессов коммутации не позволяет рассмотреть коммутацию в общем виде. Поэтому для получения аналитических и графических зависимостей, поясняющих коммутацию, допуска­ют, что ширина щетки равна коллекторному делению; щетки рас­положены на геометрической нейтрали; электрическое сопротив­ление коммутирующей секции и мест ее присоединения к коллектору по срав­нению с сопротив­лением переходного

контакта «щетка— коллектор» пренеб­режимо мало (обыч­но такое соотноше­ние указанных со­противлений соот­ветствует действи­тельности).

Рис. 27.1. Переход коммутирующей секции

из одной параллельной ветви в другую

В начальный момент коммутации (рис. 27.1, а) контактная поверхность щетки касается только пластины 1, а коммутирующая секция относится к левой параллельной ветви обмотки и ток в ней равен i_a. Затем пластина 1 постепенно сбегает со щетки и на смену ей набегает пластина 2. В результате комму­тирующая секция оказывается замкнутой щеткой и ток в ней по­степенно уменьшается. В середине процесса коммутации (t = 0,5T_К) контактная поверхность щетки равномерно перекрывает обе коллекторные пластины (рис. 27.1, б). В конце коммутации (t = T_к) щетка полностью переходит на пластину 2 и теряет контакт с пла­стиной 1 (рис. 27.1, в), а ток в коммутирующей секции становится равным — i_a, т. е. по значению таким же, что и в начале коммута­ции, а по направлению — противоположным. При этом коммути­рующая секция оказалась в правой параллельной ветви обмотки.

Прямолинейная коммутация

Этот вид коммутации имеет место в машине, если в процессе коммутации в коммутирующей секции ЭДС не наводится или, что более реально, сумма ЭДС в коммутирующей секции равна нулю. В этом случае для коммутирующей секции, замкнутой щеткой (рис. 27.1, б), в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать

r₁ и r₂ — переходные сопротивления между щеткой и сбегающей 1 и набегающей 2 пласти –

нами; i₁ и i₂ — токи, переходящие в обмот­ку якоря через пластины 1 и 2:

здесь i – ток в коммутирующей секции.

Используя (27.2), получим

откуда ток в коммутирующей секции

Закон изменения тока коммутирующей секции в функции времени определяется уравнением

Это уравнение является линейным, а поэтому график i = f (t) представляет собой прямую линию, пересекающую ось абсцисс в точке t = 0,5 T_k (рис. 27,2). Коммутация, при которой ток в комму­тирующей секции i изменяется по прямолинейному закону, назы­вают прямолинейной (идеальной) коммутацией.

Весьма важным фактором, определяющим качество коммута­ции, является плотность тока в переходном контакте «щетка-пластина»: j_i — плотность тока под сбегающим краем щетки; j₂ — плотность тока под набегающим краем щетки.

Плотность тока под щеткой прямо пропорциональна тангенсу угла между осью абсцисс и графиком коммутации, т.е. j₁ ≡ tg α₁, и j₂ ≡ tg α₂. График прямолинейной (идеальной) коммутации имеет вид прямой линии. При этом α₁ = α₂, а следовательно, плот­ность тока в переходном кон­такте «щетка — коллектор» в течение всего периода комму­тации остается неизменной (j₁ = j₂ = const). Физически это объясняется тем, что при прямо­линейной

Рис. 27.2. График тока прямолинейной коммутации

коммутации убывание тока, проходящего через сбе­гающую пластину коллектора, пропорционально уменьшению площади контакта щетки с этой пластиной, а нарастание тока через набегающую пластину пропорционально увеличению площади контакта щетки с этой пластиной.

Из построений, сделанных на рис. 27.2, следует, что к моменту времени, когда щетка теряет контакт со сбегающей пластиной, ток через эту пластину уменьшается до нуля. Таким образом, при прямолинейной коммутации пластина коллектора выходит из-под щетки без разрыва тока.

Изложенные свойства прямолинейной (идеальной) коммутации — постоянство плотности тока под щеткой и выход пластины из-под щетки без разрыва тока — являются основными, и благода­ря им этот вид коммуташш не сопровождается искрением на кол­лекторе.

Криволинейная замедленная коммутация

Период коммутации в современных машинах постоянного то­ка весьма мал и составляет приблизительно 10 -3 — 10 -5 с. При этом средняя скорость изменения тока в коммутирующей секции (di/ dt)_ср = 2i_а/ Т_к очень велика, что приводит к появлению в ком­мутирующей секции ЭДС самоиндукции

где L_с — индуктивность секции; i — ток в коммутирующей секции.

Рис. 27.3. Магнитная связь одновременно коммути­рующих секций:

а — при полном шаге (у₁ = τ); б — при укороченном шаге обмотки якоря (у₁ < τ)

Обычно в каждом пазу якоря на­ходится несколько пазовых сторон (не менее двух), принадлежащих разным секциям. При этом если шаг обмотки полный (у₁ = τ), то все эти секции од­новременно находятся в состоянии коммутации, будучи замкнутыми раз­ными щетками (рис. 27.3, а). Обычно ширина щетки больше коллекторного деления и каждая щетка замыкает од­новременно несколько секций. Так как пазовые части коммутирующих секций лежат в одних пазах, то изме­няющийся магнитный поток каждой из этих частей наводит в пазовых частях других секций ЭДС взаимоиндукции

где М_с — взаимная индуктивность од­новременно коммутирующих секций.

Обе ЭДС создают в коммути­рующей секции реактивную (резуль­тирующую) ЭДС

которая препятствует изменению тока в коммутирующей секции. Кроме того, под влиянием реакции якоря магнитная индукция в зоне коммутации (на геометрической нейтрали) приобретает неко­торое значение В_к (см. рис. 26.4, в), под действием которой в ком­мутирующей секции наводится ЭДС вращения

где l — длина пазовых частей секции; w_с — число витков в сек­ции; v — линейная скорость движения секции.

Электродвижущая сила вращения в отличие от реактивной ЭДС может иметь разное направление в зависимости от полярно­сти внешнего магнитного поля в зоне коммутации. Если машина не имеет добавочных полюсов, то ЭДС вращения направлена со­гласованно с реактивной ЭДС. В этом случае в контуре коммути­рующей секции действует сумма ЭДС

С учетом изложенного уравнение по второму закону Кирхгофа для коммутирующей секции замкнутой щеткой имеет вид

или с учетом (27.3) запишем выражение тока в коммутирующей секции при криволинейной замедленной коммутации:

Первое слагаемое правой части полученного выражения пред­ставляет собой ток прямолинейной коммутации [см. (27.3)]

Второе слагаемое правой части выражения (27.11) определяет значение дополнительного тока коммутации, возни­кающего в контуре коммутирующей секции под действием ЭДС ∑e:

Таким образом, ток в коммутирующей секции при криволиней­ной замедленной коммутации равен сумме двух составляющих:

Характер изменения тока i_пр определяется графиком, показан­ным на рис. 27.2. Что же касается дополнительного тока коммута­ции i_д, то для определения характера его изменения за период коммутации необходимо предварительно выяснить, как меняются за период коммутации величины, определяющие этот ток, а имен­но ЭДС ∑e и сумма сопротивлений (r₂ + r₁).

Если в машине нет добавочных полюсов и магнитная индук­ция в зоне коммутации В_к невелика, то ЭДС ∑e определяется главным образом реактивной ЭДС е_р = -(L_с+М_с)(di/dt). При прямолинейном законе изменения тока di/dt = соnst, а следова­тельно, ∑e = const.

Закон изменения суммы сопротивлений (r₁ + r₂) определяется выражением

где R — сопротивление переходного контакта «щетка—пластина», когда пластина коллектора полностью перекрыта щеткой и пло­щадь ее переходного контакта равна S_k.

В начале (t = 0) и в конце (t = T_к) коммутации r₁ + r₂ = ∞; при t = 0,5 T_k Гц сумма сопротивлений r₂ + r₁ = 4R. На рис. 27.4, а представлен график (r₂ + r₁) = f(t). Этому закону изменения суммы сопротивлений и постоянству ЭДС ∑e соответствует кривая 1 измене­ния добавочного тока коммутации i_д = f(t)представленная на рис. 27.4, б.

Рис. 27.4. Графики измене­ний сопротивлений (r₁ + r₂) и тока i_д

График изменения результирую­щего тока коммутации i = i_пр + i_д = f(t), полученный сложением орди­нат графиков тока прямолинейной коммутации i_пр = f(t) (см. рис. 27.2) и добавочного тока коммутации i_д = f(t) (см. рис. 27.4, б, график 1), представ­лен на рис. 27.5. Криволинейный вид этого графика обусловлен криволинейностью графика i_д = f(t). Физиче­ски это объясняется реактивным дей­ствием суммарной ЭДС ∑e, наводи­мой в коммутирующей секции, пре­пятствующей изменениям тока в этой секции от + i_а в начале коммутации до – i_a в ее конце. По этой причине в се­редине периода коммутации (точка а) ток в коммутирующей секции i_a = i_д, т.е. он не равен нулю, как это имело место при прямолинейной коммутации (см. рис. 27.2), а равен добавочному току коммутации i_д, который в этот момент времени (t = 0,5 T_к) имеет наибольшее значение (см. рис. 27.4, б, график 1). Уменьшение тока i_a до нуля и изменение его направления наступают во второй половине перио­да коммутации в момент времени t > 0,5 Т_к (точка b), т. е. по срав­нению с прямолинейной в рассматриваемом виде коммутации процесс изменения направления тока в коммутирующей секции затягивается во времени. В итоге график коммутации приобретает криволинейный вид. По этой причине такую коммутацию называ­ют криволинейной замедленной. Характерный признак этого вида коммутации — неодинаковая плотность тока под щеткой в начале и в конце периода коммутации.

В этом можно убедиться, воспользовавшись построениями, сделанными на рис. 27.5, для момента времени t = 0,5 Т_к.

Среднее значение плотности тока под набегающим краем щетки j₂, имеющим контакт с пластиной 2 (рис. 27.6, а), меньше среднего значения плотности тока j₁ под сбегающим краем щетки, имеющим контакт с пластиной 1. С одной стороны, это объясняет­ся тем, что tg α₂ < tg α₁, (см. рис. 27.5), а с другой стороны, тем, что при t = 0,5 T_к токи, отходящие в обмотку якоря через пластины 1 и 2, не равны: i₂ < i₁. При криволинейной замедленной коммутации площадь S₁ соприкосновения пластины 1 с щеткой уменьшается быстрее, чем ток i₁ = i_а + i_д, а поэтому плотность тока под сбе­гающим краем щетки повышается. К концу периода коммутации эта плотность тока достигает наибольшего значения j ≡ tg α / ₁, где α / ₁ соответствует t ≈ Т_к (см. рис. 27.5).

Рис. 27.5. График тока криволи­нейной замедленной коммутации

При значительных нагрузках машины плотность тока под сбе­гающим краем щетки может дос­тигнуть недопустимо больших значений и вызвать искрение на коллекторе. Однако, как показы­вает опыт, возможно появление искрения и при небольших нагру­зочных токах в цепи якоря. Это свидетельствует о том, что уве­личение плотности тока под сбе­гающим краем щетки не единст­венная причина искрения на коллекторе. Искрение возникает также при размыкании замкнутой накоротко щеткой цепи коммути­рующей секции при выходе сбегающей пластины коллектора из-под щетки. В момент размыкания коммутирующей секции с добавочным током коммутации накоп­ленная в ней энергия магнитного поля (Дж)

Рис. 27.6. Распределение плотности тока под щеткой при криво­линейной

замедленной (а) и ускоренной (б) видах коммутации

затрачивается на создание электрической дуги между сбегающим краем щетки и сбегающей коллекторной пластиной.

Изложенные выше свойства криволинейной замедленной коммутации — повышение плотности тока под сбегающим краем щетки и выход сбегающей пластины из-под щетки с разрывом цепи тока коммутации — создают условия к возникновению искре­ния на коллекторе под сбегающими краями щеток.

§ 27.4. Способы улучшения коммутации

Основная причина неудовлетворительной коммутации в ма­шинах постоянного тока — добавочный ток коммутации

Здесь ∑r_к — сумма электрических сопротивлений добавочному току коммутации i_д:

сопротивления мест пайки в петушках, пере­ходного контакта между коллекторными пластинами и щеткой и собственно щетки.

Однако из перечисленных сопротивлений, входящих в ∑r_к, наибольшее значение имеет сопротивление щетки и переходного контакта, поэтому, обозначив их r_щ, с некоторым приближением можно записать

Из полученного выражения следует, что уменьшить ток i_д, а следовательно улучшить коммутацию, можно либо увеличением сопротивления r_щ, либо уменьшением суммарной ЭДС ∑e в ком­мутирующей секции. Отсюда вытекает ряд способов улучшения коммутации, основные из которых рассмотрены ниже.

Выбор щеток. С точки зрения обеспечения удовлетворитель­ной коммутации целесообразнее применять щетки с большим пе­реходным падением напряжения в переходном контакте и собст­венно щетке, т. е. щетке с большим сопротивлением r_щ. Однако допустимая плотность тока в щеточном контакте этих щеток неве­лика, а поэтому их применение в машинах со значительным рабо­чим током ведет к необходимости увеличения площади щеточного контакта, что требует увеличения площади коллектора за счет его длины. Это привело бы к увеличению габаритов машины и допол­нительному расходу меди. Поэтому щетки с большим r_щ приме­няют преимущественно в машинах с относительно высоким на­пряжением, а следовательно, и с небольшим рабочим током.

Щетки для электрических машин разделяют на четыре груп­пы, различающиеся составом, способом изготовления и характе­ристиками (табл. 27.1). Выбирают щетки в соответствии с реко­мендациями, выработанными на основании многолетнего опыта проектирования и эсплуатации электрических машин. Наибольшее применение в машинах постоянного тока напряжением 110 — 440 В имеют электрографитированные щетки.

Увеличению переходного сопротивления щеточного контакта, а следовательно улучшению коммутации, способствует поли­тура коллектора — тонкая оксидная пленка на поверхности коллектора, обладающая повышенным электрическим сопро­тивлением.

Уменьшение реактивной ЭДС. Существенное влияние на суммарную ЭДС в коммутирующей секции оказывает реактивная ЭДС е_р = e_l + е_м. ЭДС взаимоиндукции е_м в значительной степени зависит от ширины щетки: чем шире щетка, тем большее число коллекторных пластин перекрывает она одновременно, а следова­тельно, тем больше секций одновременно коммутируется, что вы­зывает повышение ЭДС взаимоиндукции е_м. Однако слишком уз­кие щетки также нежелательны из-за недостаточной механической прочности, а также потому, что для создания необходимой площади контактной поверхности в узкой щетке

Группа щеток, обозначение	Переходное падение напряжения на пару щеток при номина- ль­ном токе, В	Номиналь­ная плот- ность тока, А/мм 2	Область применения
Графитовые Г, 611М	1,9—2,0	0,11—0,12	Для машин с облегченными условиями коммутации
Электрографитиро­ванные ЭГ	2,0—2,7	0,10—0,15	Для машин со средними и за­трудненными условиями комму­тации и для контактных колец
Угольно-графитовые УГ;Т	2,0	0,06—0,07	Для машин со средними усло­виями коммутации
Медно-графитовые М, МГ	0,2—1,5	0,15—0,20	Для низковольтных (до 48 В) машин и контактных колец

пришлось бы увеличить ее длину, а это привело бы к необходимости увеличения длины кол­лектора. Наиболее целесообразны щетки шириной в 2—3 коллек­торных деления.

Заметное влияние на реактивную ЭДС оказывает тип обмотки якоря. Так, если обмотку якоря выполнить с укороченным шагом (у₁ < τ), то активные стороны одновременно коммутирующих секций окажутся в разных пазах (см. рис. 27.3, б), что будет способст­вовать уменьшению ЭДС взаимоиндукции. Реактивная ЭДС может быть ослаблена уменьшением индуктивности секций L_c. Для этого следует применять в обмотке якоря секции с большим числом витков (L_c ≡ w_c) и полузакрытые пазы. Однако осуществление многих мероприятий привело бы к созданию громоздких и неэкономичных машин. Поэтому при проектировании машин постоянного тока выбор указанных параметров связывают со стремлением получить компактную и экономичную машину. При этом реактивная ЭДС может быть в значительной степени уменьшена или даже полностью устранена созданием в зоне коммутации (по оси щеток) коммутирующего поля определенной полярности и величины. Создается такое поле добавочными полюсами или сдвигом щеток геометрической нейтрали.

Добавочные полюсы. Назначение добавочных полюсов – создать в зоне коммутации магнитное поле такой величины и на­правления, чтобы наводимая этим полем в коммутирующей сек­ции ЭДС вращения е_вр компенсировала реактивную ЭДС е_р. В ма­шине постоянного тока без принятия мер по улучшению коммутации ЭДС е_р и е_вр направлены в одну сторону, т. е. дейст­вуют согласно:

Суммарная ЭДС в коммутирующей секции ∑e окажется рав­ной нулю, если посредством добавочных полюсов создать в зоне коммутации магнитное поле с магнитной индукцией В_к такой ве­личины и направления, чтобы ЭДС вращения е_вр изменила свое направление на обратное [см. (27.8)], а значение ее было бы равно ЭДС реактивной е_р. В этом случае

и коммутация становится прямолинейной (идеальной).

Добавочные полюсы располагают между главными. При этом щетки устанавливают на геометрической нейтрали.

Все машины постоянного тока мощностью свыше 1 кВт снаб­жаются добавочными полюсами, число которых принимают рав­ным числу главных полюсов или же вдвое меньшим. Наличие до­бавочных полюсов позволяет увеличить линейную нагрузку машины и при заданной мощности получить машину меньшего веса и габаритов.

Число витков обмотки добавочных полюсов выбирают таким, чтобы МДС добавочных полюсов компенсировала МДС якоря по поперечной оси в зоне коммутации и имела некоторый избыток, необходимый для создания коммутирующего поля с индукцией В_к, направленного противоположно полю реакции якоря (рис. 27.7). Исходя из этого, МДС добавочного полюса для некомпенсирован­ных машин постоянного тока принимают равной (А)

где k_д = F_д / F_а — коэффициент, учитывающий требуемое превы­шение МДС обмотки добавочного полюса F_д над МДС якоря F_а [см. (26.6)]. Для машин постоянного тока современных серий этот коэффициент принимают равным k_д = 1,20 ÷ 1,45.

Если машина снабжена компенсационной обмоткой, то МДС добавочных полюсов следует уменьшить на величину МДС ком­пенсационной обмотки F_к.о. Обычно в компенсированных маши­нах постоянного тока МДС добавочных полюсов на 15—30 % больше МДС якоря.

Если МДС добавочных полюсов сделать больше требуемого значения [см. (27.19) ], то ЭДС вращения е_вр станет больше реактивной ЭДС. В этом случае суммарная ЭДС ∑e изменит свой знак, а добавочный ток коммутации — свое направление на противоположное по сравнению с тем, какое он имел при криволи­нейной замедленной коммутации (см. рис. 27.4,6, кривая 2).

Рис. 27.7. Результирующее магнитное поле в воздушном

зазоре машины с добавочными полюсами в

генераторном (Г) и двигатель­ном (Д) режимах

График изменения результирующего тока коммутации i₂ = i_a + i_д в этом случае принимает вид, представленный на рис. 27.8, т. е. коммутация становится криволинейной ускоренной, так как ток в коммутирующей секции достигает нулевого значения за время Т < 0,5 Т_к (точка b). Для криволинейной уско­ренной коммутации ха­рактерно повышение плотности тока под на­бегающим краем щетки (см. рис. 27.6, б). Объ­ясняется это тем, что при этом виде комму­тации площадь сопри­косновения пластины 2 с щеткой нарастает медленнее, чем увели­чивается ток i₂ = i_a + i_д. Наибольшее значение плотности тока у / ₂ ≡ tg α / ₂ соответствует началу периода коммутации (t ≈ 0). При значитель­ных нагрузках это мо­жет привести к искре­нию под набегающим краем щетки. Это объ­ясняется тем, что при ускоренной коммута­ции выход сбегающей пластины из-под щетки происходит с разрывом цепи добавочного тока коммутации, который имеет направление, про­тивоположное току за­медленной коммутации.

Для обеспечения компенсации реактивной ЭДС при различных нагрузках машины обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря. В этом случае МДС добавочных полюсов F_д при различных нагрузках машины изменяется пропорционально току якоря I_а, т. е. пропорционально МДС якоря F_а.

Рис. 27.8. График тока криволинейной уско­ренной коммутации

Полярность добавочного полюса в генераторе должна быть такой же, как и у следующего по направлению вращения главного полюса, а в двигателе — как у предшествующего полюса (рис. 27.9).

Рис. 27.9. Полярность добавочных полюсов Рис. 27.10. График изменения ЭДС в

при работе машины в генераторном и коммутирующей секции в зависи­мости

двигательном ре­жимах от тока нагрузки

Добавочные полюсы обеспечивают удовлетворительную ком­мутацию в машине только в

пределах номинальной нагрузки.

Рис. 27.11. К понятию о потоке рассеяния

При перегрузке машины происходит насыще­ние магнитной цепи добавочных полюсов. В этом случае реактивная ЭДС е_р изменя­ется пропорционально току нагрузки, а рост ЭДС внешнего поля из-за насыщения магнитной цепи несколько задерживается (рис. 27.10). В результате в коммутирую­щей секции появляется суммарная ЭДС ∑е = е_р — е_к, т. е. коммутация становится замедленной. Насыщению сердечников добавочных полюсов способствует маг­нитный поток рассеяния Ф_дσ, замыкаю­щийся через сердечники смежных главных полюсов и станину (рис. 27.11). В целях уменьшения магнитного потока рассеяния, а следовательно, обеспечения более линей­ной зависимости потока добавочных полю­сов от тока нагрузки воздушный зазор до­бавочного полюса δ_д разделяют на два: один — между сердечником полюса и яко­рем δ_д1, — а другой между сердечником полюса и станиной δ_д2 (см. рис. 27.7). В

этом случае зазор δ_д2 ограничит значение потока Ф_дσ. Зазор δ_д2 создается пакетом немагнитных прокладок, закладываемых между сердечником полюса и станиной.

Получение коммутирующего поля смещением щеток. В машинах постоянного тока мощностью до 1 кВт, выполняемых без добавочных полюсов, коммутирующее поле в зоне коммутации создается смещением щеток с геометрической нейтрали. Если щетки установлены на геометрической нейтрали (рис. 27.12, а), то поперечное магнитное поле якоря с магнитной индукцией В_аq создает в зоне коммутации индукцию В_к (рис. 27.12, б). В результате в коммутирующих секциях наводится ЭДС вращения е_вр, направленная согласованно с реактивной ЭДС е_р и способствующая замедленной коммутации. При сдвиге щеток на

Рис. 27.12. Создание коммутирующего поля сдвигом щеток

физическую нейтраль mm’ комму­тирующее поле с индукцией В_к исчезает и ЭДС вращения е_вр = 0. При этом в коммутирующих секциях наводится лишь реактивная ЭДС е_р. Если же щетки сдвинуть на угол β, т. е. за физическую нейтраль mm’ (линия cc’), то коммутирующее поле с индукцией В’_к изменит свое направление относительно направления при положении щеток на геометрической нейтрали. Это поле будет наводить в коммутирую­щих секциях ЭДС вращения, равную реактивной ЭДС и противопо­ложную ей по направлению (е_вр — е_р = 0), т. е. реактивная ЭДС ока­жется скомпенсированной и коммутация станет прямолинейной (идеальной). Для получения необходимого эффекта щетки следует смещать в направлении вращения якоря у генераторов или против вращения якоря у двигателей.

Описанный способ улучшения коммутации имеет следующие недостатки: а) коммутирующее поле изменяется не пропорцио­нально нагрузке машины, что исключает полную компенсацию реактивной ЭДС во всем диапазоне нагрузок, так как для этого пришлось бы при каждом изменении нагрузки менять положение щеток (обычно щетки устанавливают в фиксированное положение, соответствующее полной компенсации реактивной ЭДС при но­минальной нагрузке); б) при смещении щеток с геометрической нейтрали усиливается размагничивающее действие реакции якоря (см. рис. 26.5); в) для реверсируемых машин смещение щеток с геометрической нейтрали недопустимо, так как требуемое направ­ление смещения физической нейтрали меняется с изменением на­правления вращения якоря.

6.3 Причины, вызывающие искрение на коллекторе

При вращении машины коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с одной пластины на другую сопровождается переключением секции обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменением значения и направления тока в секции. Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. Различают при этом два вида коммутации: прямолинейная коммутация, при которой ток коммутирующей секции изменяется по прямолинейному закону; криволинейная коммутация, когда процесс изменения направления тока затягивается во времени, а признаком является неодинаковая плотность тока под щеткой в периоде коммутации.

При работе машины постоянного тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. Площадь контакта щетки выбирают по значению рабочего тока машины, приходящегося на одну щетку, в соответствии с допустимой плотностью тока для выбранной марки щеток.

Причины, вызывающие искрение на коллекторе, разделяют на механические, потенциальные и коммутационные.

Механические причины искрения – слабое давление щеток на коллектор, биение коллектора, его эллиптичность или негладкая поверхность, загрязнение поверхности коллектора, выступление миканитовой изоляции над медными пластинами, неплотное закрепление траверсы, пальцев или щеткодержателей, а также другие причины, вызывающие нарушение электрического контакта между щеткой и коллектором.

Потенциальные причины искрения появляются при возникновении напряжения между смежными коллекторными пластинами, превышающего допустимое значение. В этом случае искренне наиболее опасно, так как оно обычно сопровождается появлением на коллекторе электрических дуг.

Коммутационные причины искрения создаются физическими процессами, происходящими в машине при переходе секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.

Иногда искрение вызывается целым комплексом причин. Выяснение причин искрения следует начинать с механических, так как их обнаруживают осмотром коллектора и щеточного устройства. Труднее обнаружить и устранить коммутационные причины искрения.

При выпуске готовой машины с завода в ней настраивают темную коммутацию, исключающую какое-либо искрение. Однако в процессе эксплуатации машины, по мере износа коллектора и щеток, возможно появление искрения. В некоторых случаях оно может быть значительным и опасным, тогда машину необходимо остановить для выяснения и устранения причин искрения. Однако небольшое искрение в машинах общего назначения обычно допустимо.

Согласно ГОСТ, искрение на коллекторе оценивается степенью искрения: степень 1 – искрение отсутствует (темная коммутация); степень 1 1 / 4 – незначительное искрение под щеткой, не вызывающее почернение коллектора появление нагара; степень 1 1/2 – слабое искрение под большей частью щетки, следы почернения, которые легко устраняются путем протирания поверхности коллектора; степень 2 – искрение под всем краем щетки (приводит к появлению неустраняемых следов почернения и нагара); степень 3 – значительное искрение с появлением крупных вылетающих искр, приводящее к неустраняемому почернению коллектора.

Если в паспорте машины не указана степень искрения, то при номинальной нагрузке она не должна превышать 1 1/2 .

Коммутация: общие положения. Причины искрения на коллекторе, способы улучшения коммутации. Виды обмоток якоря. Потери и КПД машин постоянного тока , страница 4

Изменение тока i_ПР будет происходить линейно от вре­мени (рис. 44.6), в связи с чем такой вид коммутации по­лучил название прямолинейной.

Выясним распределение плотностей тока под щеткой для этого вида коммутации. Плотность тока под набегающей

Рис. 44.6. Изменение тока в коммутируе­мой секции при пря­молинейной коммута­ции

частью щетки . Согласно рис. 44.6 времени t соответствует отрезок ab, а току i₂=(i_a—i) — отрезок df. Тогда

Для сбегающей части щетки плотность тока равна:

В данном случае α₁=α₂, а следовательно, J_Щ1=J_Щ2, откуда следует, что при прямолинейной коммутации ток равномерно распределяется по всей ширине щетки.

Замедленная коммутация происходит, когда в контуре коммутируемой секции реактивная ЭДС имеет большее значение, чем компенсирующая ее ЭДС е_BP , а также тогда, когда е_BP совпадает по направлению с е_P . Такой вид коммутации обычно на­блюдается в машинах постоянного тока, у которых отсутст­вуют дополнительные полюсы, а щетки установлены на геометрической нейтрали. Замедленная коммутация про­исходит также в машинах, имеющих слабые дополнитель­ные полюсы.

При замедленной коммутации под действием не пол­ностью скомпенсированной реактивной ЭДС в контуре ком­мутируемой секции появляется добавочный ток , который стремится задержать изменение тока в ней. Вследствие этого ток в секции будет изменяться медлен­нее, чем при прямолинейной коммутации (рис. 44.7).

Рис. 44.7. Изменение тока в коммутируемой секции при замедленной коммутации

Рис. 44.8. Ток разрыва при замедленной коммутации

Позже ток i будет проходить и через нулевое значение. По этой причине этот вид коммутации носит название замед­ленной коммутации.

В соответствии с (44.9) ток i при замедленной комму­тации можно представить в виде двух составляющих;

где i_ПР — ток, соответствующий прямолинейной коммута­ции.

Добавочный ток i_Д замыкается поперек щетки, причем в скользящем контакте под сбегающей ее частью при за­медленной коммутации он имеет такое же направление, как и ток нагрузки (ток i_a), а под набегающей частью — встречное. Вследствие этого плотность тока в контакте под сбегающим краем щетки будет больше, чем под набе­гающим. Это следует также из рис. 44.7. Например, для времени t от начала коммутации α₂<α₁ и, следовательно, J_Щ2<J_Щ1.

Замедленный характер коммутации часто сопровожда­ется искрением сбегающего края щетки. Искрение возни­кает тогда, когда при завершении коммутации секции (t→T_K) ток i_Д не успевает достигнуть нулевого значения (рис. 44.8) и при ее размыкании происходит разрыв тока. Ток i_Д при t=T_K называется током разрыва — i_РЗ. Чем больше ток разрыва, тем сильнее искрение сбегающего края щетки. По этой причине замедленной коммутации стараются избегать.

Ускоренная коммутация имеет место при , что наблюдается в машинах постоянного тока при сильных дополнительных полюсах. При ускоренной коммутации также появляется добавочный ток i_Д, но он будет иметь противоположное направление по сравнению с током при замедленной коммутации. Вследствие этого ток i в коммутируемой секции будет изменяться быстрее, чем при прямолинейной коммутации (рис. 44.9), а плот­ность тока под набегающей частью щетки будет больше, чем под сбегающей (α₂>α₁). При сильно ускоренной ком­мутации возможно появление тока разрыва i_РЗ (рис. 44.10, кривая 1), что приводит к искрению щеток. Поэтому силь­но ускоренная коммутация является недопустимой. Одна­ко некоторое ускорение коммутации, при котором ток в секции i достигает значения, близкого к току параллельной ветви i_a, до завершения коммутационного процесса (рис. 44.10, кривая 2) является желательным. В этом случае ток сбегающей части щетки i₁ еще до завершения комму­тации будет равен нулю, что уменьшает вероятность появ­ления искрения щеток. Во многих случаях такой вид ком­мутации в машинах постоянного тока предпочитают пря­молинейному.

Рис. 44.9. Изменение тока в коммутируемой секции при ускоренной коммутации

Какие причины вызывающие искрение возникают при замедленной коммутации

§ 8.7. КОММУТАЦИЯ

Причины искрения щеток. Процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую называют коммутацией. В более широком смысле под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то это значит, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации (интенсивность искрения) в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.

Искрение может вызываться большим количеством причин, которые обычно разбивают на две группы — механические и электромагнитные.

К механическим причинам относятся: биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость рабочей поверхности коллектора, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. п. Эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможен кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллекторными пластинами и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить устойчивую работу щеток при больших окружных скоростях коллектора — примерно 50 м/с и выше, что связано с особыми свойствами щеточного контакта.

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже в случае идеального состояния щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки происходит разрыв электрической цепи, по которой проходит ток, и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации щеток, т. е. способствует воз­никновению искрения по механическим причинам. Неустой­чивость щеточного контакта, обусловленная механическими причинами, существенно влияет на электромагнитные процессы, происходящие в коммутируемых секциях. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе является результатом совместного действия многих причин.

Затраты на ремонт и эксплуатацию коллекторных машин (замену щеток, проточку коллекторов, устранение последствий кругового огня и т. п.) очень велики, и в некоторых машинах за один год составляют около 1/3 стоимости машины. Поэтому мероприятия, проводимые по уменьшению интенсивности искрения щеток, могут дать существенный технико-экономический эффект.

Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении. Степени искрения и их характеристики согласно ГОСТу приведены в табл. 8.1.

Характеристика степени искрения

Состояние коллектора и щеток

Отсутствие искрения (темная коммутация)

Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступеней) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы

Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток

Как видно из табл. 8.1, при длительной работе машины допускается слабое искрение под щетками. Однако требования ГОСТа проверяются только при контроле качества коммутации электрических машин, выпускаемых с завода. В эксплуатации может наблюдаться искрение значительно большей интенсивности, поскольку машина работает в форсированных режимах (при перегрузках или повышенной частоте вращения). Повышенное искрение щеток могут вызывать и другие особенности эксплуатации: вибрация и удары машины, работа на высоте более 1000 м над уровнем моря, работа в запыленных. помещениях или в агрессивной среде и т. п. Поэтому технические требования, предъявляемые к разработке машин постоянного тока, должны учитывать условия их будущей эксплуатации.

Основное уравнение коммутации. При вращении якоря секции его обмотки переходят из одной параллельной ветви в другую, вследствие чего направление тока в них изменяется (рис. 8.28). Большую часть времени ток секции равен току параллельной ветви i a = I a /(2a). Изменение направления тока в секции происходит за время Т к , в течение которого соединенные с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой. Это время, в течение которого секция оказывается замкнутой накоротко щеткой, называют периодом коммутации, а секции, в которых изменяется ток,— коммутируемыми. Период коммутации

Рис. 8.28. Схема распределения тока в параллельных
ветвях обмотки якоря (а) и график изменения тока

В современных машинах Т к = 0,001 ÷ 0,0001 с, вследствие чего средняя скорость изменения тока в секции (di/dt) cp = 2i a /Т к очень велика. Следовательно, в секции может индуцироваться большая ЭДС само- и взаимоиндукции, называемая реактивной ЭДС,

е р = -L рез di /dt,

е к = 2В к l a v a w c ,

Индукция В к может создаваться МДС главных полюсов, МДС реакции якоря, а также МДС добавочных полюсов, которые устанавливают в машинах постоянного тока для улучшения процесса коммутации.

Установим закон изменения тока в секции в период коммутации, полагая для простоты, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. Рассмотрим три основных этапа коммутации. В первый момент времени (рис. 8.29, а)ток i в коммутируемой секции, присоединенной к пластинам 1 и 2, равен i a и направлен от пластины 2 к пластине 1. Ток щетки 2i a проходит через пластину l, т. е. i 1 = 2i a и i 2 = 0. В промежуточном положении (рис. 8.29, б) одна часть тока щетки 2i a проходит через пластину 1, а другая часть — через пластину 2, причем
i 1 + i 2 = 2i a . К концу периода коммутации (рис. 8.29, в)пластина 1 выходит изпод щетки, и ток, проходящий через нее, становится равным нулю.

Рис. 8.29. Схемы распределения тока в коммутируемой секции в различные моменты времени

Для контура коммутируемой секции, замкнутой щеткой (см. рис. 8.28, б), можно составить уравнение

е р + е к = i 1 R 1 + iR с — i 2 R 2 ,

Поскольку сопротивление секции всегда значительно меньше сопротивлений щеточного контакта, влияние сопротивления R с на процесс коммутации весьма незначительно и им можно пренебречь. Тогда вместо (8.17) получим

e p + e к = i 1 R 1 — i 2 R 2 .

Это уравнение называют основным уравнением коммутации. Оно является нелинейным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами, так как ЭДС е р пропорцио-нальна di/dt, ЭДС е к является функцией индукции В к ; сопротивления R 1 и R 2 являются функциями времени, а также плотности тока в щеточном контакте и скорости ее изменения, т. е. зависят от тока i и его производной по времени.

Коммутация при ширине щетки, равной ширине коллекторной пластины. В первом приближении можно пренебречь различием в падениях напряжения под набегающим и сбегающим краями щеток и положить i 1 R 1 — i 2 R 2 = 0, так как при удовлетворительной коммутации указанная разность не превышает 0,5 В, в то время как обычно е к > 3 ÷ 4 В, а в отдельных случаях достигает 8 — 10 В. При таком допущении основное уравнение коммутации принимает вид

е р + е к = 0.

Подставляя в него значение реактивной ЭДС е р = — L рез di/dt и решая его относительно i, получаем

Следовательно, величина и характер изменения тока i в коммутируемой секции в основном определяются коммутирующей ЭДС. Условием безыскровой коммутации является выход сбегающей коллекторной пластины из-под щетки без разрыва тока, для чего необходимо, чтобы
i 1t = Т к = 0 или i t = T к = — i а . Согласно теореме о среднем из (8.20) имеем

i t = T к = (е к.ср /L рез )Т к + С.

Постоянную интегрирования С найдем из начальных условий. Так как в начальный момент коммутации при t = 0 ток i t = 0 = i а , то согласно (8.20) получим С = i а . Положив i t = T к = — i а , найдем условие безыскровой коммутации:

i t = T к = — i а = i a + (е к.ср /L рез )Т к ,

е к.ср = — (2i а /Т к )L рез = — е р.ср .

Таким образом, чтобы осуществить безыскровую коммутацию, необходимо в процессе коммутации скомпенсировать. среднее значение реактивной ЭДС. Если внешнее поле сделать постоянным, т. е. е к = е к.ср , то (из 8.20)

i = i a + (е к.ср /L рез ) t = i a — (2i а /Т к ) t = i a (1 — 2t /Т к )

При идеальной прямолинейной коммутации (рис. 8.30) ток, проходящий через сбегающий край щетки, линейно уменьшается и в момент времени t = Т к становится равным нулю, т. е. выход коллекторной пластины из-под щетки происходит без разрыва тока.

Рис. 8.30. График изменения тока в коммутируемой секции при идеальной прямолинейной

Рассмотрим более подробно этот важный для практики случай коммутации. При идеальной прямолинейной коммутации плотность тока под щеткой в местах соприкосновения ее с пластинами 1 и 2 (рис. 8.29) остается все время постоянной и равной среднему значению: Δ щ1 = Δ щ2 = 2i а /s щ = const. Так, например, в месте контакта щетки с коллекторной пластиной 1

Δ щ1 = i 1 /s 1 = 2i а (1 — t/Т к )/[s щ (1 — t/Т к )] =

= 2i a /s щ = const.

Аналогично, для коллекторной пластины 2

Δ щ2 = i 2 /s 2 = (2i а t/Т к )/(s щ t/Т к ) =

= 2i a /s щ = const.

Непосредственно плотность тока мало влияет на интенсивность искрения, однако равномерное распределение тока под щеткой способствует уменьшению потерь в щеточном контакте и поэтому считается положительным фактором.

В действительности при работе машины всегда имеются причины, вызывающие неполную компенсацию реактивной ЭДС, т. е. отклонение от условия е р.ср + е к.ср = 0. К этим причинам относятся: технологические допуски при изготовлении коллектора, установке щеткодержателей, установке добавочных полюсов и т. п.; резкие толчки тока нагрузки, перегрузки по току, превышения номинальной частоты вращения, вибрация машины и другие эксплуатационные причины: нестабильность щеточного контакта, из-за которой постоянно изменяется площадь контакта щетки с коллектором, т. е. период коммутации Т к , или даже происходит полный отрыв щетки от коллектора.

Если |е к.ср | p.cp |, то коммутация замедляется, так как, согласно правилу Ленца, ЭДС е р замедляет изменение тока i. Обозначив степень некомпенсации ЭДС через
Δ = (| e p.cp | — |е к.ср |) /| e p.cp |, получим

При этом согласно (8.23) закон изменения тока в коммутируемой секции

При замедленной коммутации (рис. 8.31, а, прямая 2) в момент окончания коммутации при
t = Т к щетка разрывает некоторый остаточный ток i ост , вследствие чего между сбегающим краем щетки и сбегающей коллекторной пластиной возникает электрическая дуга. Остаточный ток
i ост = i 1t = Тк = i a + i или с учетом (8.26) i ост = 2i a Δ.

Электромагнитная энергия W и , выделяющаяся в дуге, возникающей при разрыве остаточного тока, может характеризовать степень искрения. Для рассматриваемого простейшего случая

W и = 0,5i 2 ост L pез = 2Δ 2 i a 2 L pез .

При ускоренной коммутации (рис. 8.31, а, прямая 3), когда |е к.ср | > | e p.cp |, ток в коммутируемой секции изменяется по закону

При построении кривых изменения тока на рис. 8.31, а не учтено падение напряжения в щеточном контакте. В действительности при быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление щеточного контакта

Рас. 8.31. Кривые изменения тока в коммутируемой секции в течение периода коммутации Т к при пренебрежении сопротивлением щеточного контакта (а) и его учете (б), (в)

резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или полному его устранению, даже в том случае, когда коммутация отличается от идеальной. Типичные кривые изменения тока в коммутируемой секции с учетом влияния сопротивления щеточного контакта приведены на рис. 8.31, б. При незначительном расстройстве коммутации замедление коммутации (кривая 2) или ее ускорение (кривая 3) не приводит к разрыву сбегающим краем щетки остаточного тока. Только значительное замедление (кривая 4) или значительное ускорение (кривая 5) коммутации приводит к возникновению опасного искрения.

При замедленной коммутации уменьшение остаточного тока происходит под действием разности падений напряжения u 1 = i 1 R 1 ; и 2 = i 2 R 2 (см. рис. 8.29) .под сбегающим и набегающим краями щетки:

е р + е к = u 1 — u 2 .

При ускоренной коммутации на завершающем этапе, когда ток изменяет свое направление, в уравнение (8.29) входит сумма падений напряжения:

е р + е к = u 1 + u 2 .

При этом к концу процесса коммутации резко уменьшается ток i 1 , т. е. коммутируемая секция заканчивает коммутацию с так называемой ступенью малого тока (рис. 8.31, в). Следовательно, при ускоренной коммутации допустима большая разница между е р и е к , чем при замедленной коммутации. Поскольку в эксплуатации появление погрешности коммутации как в одну, так и другую сторону (т. е. ускоренная и замедленная коммутация) равновероятны, при расчете и наладке машины предпочитают иметь слегка ускоренную коммутацию. Для того чтобы усилить благоприятное влияние падения напряжений u 1 + u 2 на процесс коммутации, в машинах постоянного тока с затрудненной коммутацией применяют щетки с большим переходным сопротивлением, несмотря на то, что это увеличивает потери мощности в щеточном контакте.

Идеальная прямолинейная коммутация положена в основу инженерных методик расчета коммутации, предложенных рядом авторов. Главным условием этого расчета является взаимная компенсация средних значений реактивной ЭДС е р.ср и ЭДС е к.ср , создаваемой внешним полем.

В расчетной практике для определения среднего значения реактивной ЭДС в секции обмотки якоря часто используют упрощенную формулу, которую можно получить из (8.22). Для этого ток параллельной ветви i a выражают через линейную нагрузку якоря

А = i a N/(πD a ) = 2i a Kw с /(πD a ),

а период коммутации Т к — через линейную скорость якоря v a и число коллекторных пластин К:

Т к = b щ /v к = (πD к /К)/(πD к п/60) = πD a /(Кπ D a п/60) = πDa/(Кv a ).

В последних формулах N = 2kw c — число активных проводников обмотки якоря; D a и D к — диаметры якоря и коллектора; К — число коллекторных пластин; w c — число витков в секции;

В результате получим реактивную ЭДС

е р = 2i a L р /Т к = 2i a Kv a L р /(πD a ) = Аv a L рез /w c .

L рез = w c 2 Λ р = 2l a w c 2 λ p ,

Поэтому формула (8.33) принимает вид

е р = 2l a w c Av a λ p .

Удельную проводимость секции с достаточной степенью точности можно принять равной при открытых (рис. 8.31, б) и полузакрытых (рис. 8.32, в) пазах:

Рис. 8.32. Потоки рассеяния секции (а) и размерыпаза, определяющие удельную проводимость секции (б, в)

Общий случай коммутации при ширине щетки, большей коллекторного деления и нескольких проводниках, лежащих в пазу. В общем случае, когда щетка 1 перекрывает несколько коллекторных пластин (рис. 8.33, а), изменение тока происходит одновременно в нескольких секциях 2, лежащих в одном или нескольких пазах. На рис. 8.33, б изображена диаграмма коммутации секций одного паза для обмотки, показанной на рис. 8.33, а. Прямоугольники 3, 4, 5 и 6 показывают распределение во времени индуктивностей L c секций, которые приняты равными их взаимоиндуктивностям М с . Ширина каждого прямоугольника равна периоду коммутации

Т к = b ш /v к = 60γ/(К п ) = γπD a /(Kv a ),

Изменение токов i 1 , i 2 , i 3 и i 4 в рассматриваемых секциях происходит со сдвигом во времени

t к = b к /v к = 60/(Kn ) = πD a /(Kv a ).

Время коммутации всех u п секций, лежащих в каждом слое паза, при диаметральном шаге обмотки якоря

Т п = Т к + (и п — 1)t к = (γ + и п — 1)t к = (πD a / Kv a ) (γ + и п — 1).

Рис. 8.33. Коммутация при перекрытии щеткой нескольких коллекторных пластин (а) и диаграмма коммутации секции одного паза (б)

Рис. 8.34. Положение коммутационной зоны (а) и магнитные потоки, создаваемые в ней коммутируемыми секциями (б)

Коммутация секций происходит в зоне коммутации, т. е. по дуге окружности якоря, в пределах которой перемещаются стороны секций, лежащие в пазах, во время коммутации. Ширину этой зоны b з.к (рис. 8.34, а) можно получить, если умножить время Т п на окружную скорость якоря v a :

b з.к = Т п v a = πD a (γ + и п — 1)/К.

Ее можно также выразить через ширину щетки и коллекторное деление:

b з.к = [b щ + (и п — 1)b к ] D a /D к .

Из рис. 8.33, б следует, что в рассматриваемом случае одновременно может происходить коммутация секций двух пазов — когда начинается коммутация секций любого n-го паза, продолжается коммутация секций предшествующего (n — 1)-го паза; заканчивается коммутация секций n-го паза, когда уже замкнуты накоротко некоторые секции (n + 1)-го паза. Таким образом, при исследовании процесса изменения тока в любой коммутируемой секции нужно учитывать индуктивное влияние секций, расположенных в том же и в соседних пазах.

Для каждой из коммутируемых секций можно вывести уравнение

е к — L с di/dt — ΣM к di к /dt = ΣiR,

При анализе коммутации обычно рассматривают секции, находящиеся в одной зоне коммутации b з.к , т. е. коммутируемые одной щеткой. При этом условии средняя скорость изменения тока в этих секциях:

(	d∑iк	) ср =	1	(	∑Δi c	) ср =	Av a	;
	dt		2p		Δt		w c

где (	∑Δi c	) ср =	i a N2pv a	=	2pAv a	— средняя скорость изменения тока во всех N/(2wс) секциях
	Δt		w c πD a		w c

обмотки якоря; Δi с = i а N/w c -приращение тока в этих секциях за время Δt = τ/v a = πD a /(2pv a ), соответствующее повороту якоря на одно полюсное деление (рис. 8.34, а). Наличие сравнительно больших потоков взаимоиндукции Ф’М и Ф»М обусловливает постоянство средней скорости изменения полного тока в зоне коммутации, так как при любом отклонении от этого закона в коммутируемых секциях индуцируется большая ЭДС взаимоиндукции

eM = -w c	d(Ф’ M + Ф" M )	≈ —M к [	d∑i к	— (	d∑i к	) ср ].
	dt		dt		dt

Поэтому при расчете реактивной ЭДС учитывают только взаимоиндуктивность сторон секций, расположенных в одном лазу, принимая коммутацию прямолинейной в среднем. Это положение подтверждено опытами на крупных машинах, при осциллографировании тока во всех коммутируемых секциях (одного или двух пазов). Суммирование токов во всех секциях подтвердило справедливость уравнения (8.42) для любого момента времени:

В каждом слое паза якоря реальной машины находится несколько секций, что дает возможность выполнять для них общую изоляцию относительно корпуса, а это увеличивает коэффициент заполнения паза медью и значительно снижает габариты машины и ее стоимость. Секции, расположенные в одних и тех же пазах, имеют хорошую магнитную связь; их индуктивность L c приблизительно равна взаимоиндуктивности М п . Поэтому выход из-под щетки коллекторных пластин, связанных со всеми секциями паза, кроме последней, не вызывает электрической дуги даже при разрыве тока, так как малы переходная индуктивность и энергия, выделяющаяся в дуге. Это явление хорошо известно и в практике эксплуатации коллекторных машин — подгорают пластины коллектора, кратные числу секций в пазу. По указанной причине иногда последнюю секцию в пазу называют самостоятельной, а те секции, которые не вызывают искрения,— несамостоятельными. Следовательно, при расчете коммутации следует стремиться к тому, чтобы не рвался ток при выходе из-под щетки пластины, связанной с самостоятельной секцией, т. е. последней, заканчивающей коммутацию в пазу.

Обозначая i п = i 1 + i 2 + . + i п полный ток во всех секциях, лежащих в каждом слое, и принимая L c = М п , получаем

Средняя величина реактивной ЭДС при коммутации всех секций, лежащих в каждом слое паза, с учетом (8.39):

e р.ср = — L c	2i п	= —	2u п i a Kv a	L c = —	u п Av a	L c .
	T п		πD a (γ + u п — 1)		w c (γ + u п — 1)

Соответственно из условия е р.ср + е к.ср = 0 должно выбираться и среднее значение коммутирующей ЭДС.

Обычно γ п , что обусловливает некоторые особенности коммутации. Типичная диаграмма изменения тока паза i п при коммутации, полученная экспериментально, показана на рис. 8.35, а. На первом этапе, когда начинается коммутация секций второго паза, продолжается коммутация секций предшествующего первого паза. Когда коммутация происходит в секциях двух пазов, скорость изменения тока в секциях рассматриваемого второго паза (dΣ i к /dt) п 2 уменьшается и становится равной

(dΣ i к /dt) п2 = Av а /w c — (dΣ i к /dt) п1 ,

Наибольшая скорость изменения тока в секциях одного паза происходит во время Т‘ п (рис. 8.35, а), когда коммутируют секции только одного паза.

Рис. 8.35. График изменения тока паза (а) и распределение тока между отдельными секциями паза (б) в процессе коммутации: 1—4 — токи в сторонах секций верхнего слоя паза; 5—8 — то же, нижнего слоя паза

Когда начинается процесс коммутации в секциях последующего третьего паза, скорость изменения тока снова замедляется. Токи между пазами, в которых находятся коммутируемые секции, распределяются соответственно коммутирующим ЭДС и количеству секций, находящихся в режиме коммутации. Распределение токов между короткозамкнутыми секциями одного паза определяется в основном их активными сопротивлениями, включая сопротивление щеточного контакта. Оно носит в значительной мере случайный характер (рис. 8.35, б), что объясняется нестабильностью щеточного контакта.

В рассматриваемом случае остаточный ток, возникающий при нарушениях коммутации,

Способы улучшения коммутации. Основным средством улучшения коммутации в современных машинах является применение добавочных полюсов, с помощью которых в коммутационной зоне создается магнитное поле, индуцирующее коммутирующую ЭДС е к.ср требуемой величины. Только в машинах малой мощности (менее 300 Вт) удается обойтись без добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливают между главными полюсами (рис. 8.36, а). Они создают в зоне коммутации магнитное поле с такой индукцией В к , чтобы при вращении якоря в коммутируемых секциях индуцировалась ЭДС е к.ср = — е р.ср . Обмотку добавочных полюсов включают последовательно в цепь якоря, а магнитную систему выполняют ненасыщенной.

Рис. 8.36. Схема расположения главных и добавочных полюсов (а) и кривая магнитного поля в машине (б) с добавочными полюсами: 1 — добавочные полюсы; 2 — обмотка добавочных полюсов; 3 — обмотка возбуждения; 4 — главные полюсы

Поэтому коммутирующая ЭДС е к.ср оказывается пропорциональной току якоря и его линейной скорости v a , которая, в свою очередь, пропорциональна частоте вращения:

Следовательно, ЭДС е к.ср изменяется по тому же закону, что и реактивная ЭДС:

е р.ср = (2i a /T к ) L рез = c 2 I a v a .

Поэтому, если осуществить взаимную компенсацию ЭДС е р.ср + е к.ср = 0 для какогото одного режима работы, то их компенсация автоматически обеспечивается и при других режимах. Полярность добавочных полюсов зависит от направления вращения и режима работы машины. В генераторном режиме полярность добавочного полюса должна быть такой же, как у следующего за ним по направлению вращения главного полюса; в двигательном режиме — как у предшествующего ему по направлению вращения главного полюса. На рис. 8.36,б показано результирующее магнитное поле в воздушном зазоре машины с добавочными полюсами.

Сердечники добавочных полюсов изготовляют обычно массивными из стальной поковки, хотя иногда применяют и шихтованные из листов электротехнической стали. Шихтованные сердечники используют в тех случаях, когда ток якоря содержит переменные составляющие (двигатели пульсирующего тока и т. п.) и требуется, чтобы ЭДС е к тоже содержала переменные составляющие, пропорциональные току якоря.

Значение индукции В к под добавочным полюсом обычно мало, так как мало и среднее значение коммутирующей ЭДС е к.ср = 3 ÷ 10 В. Однако МДС обмотки добавочных полюсов должна быть очень большой, так как она направлена против поперечной составляющей F aq = τА МДС реакции якоря. Поэтому обмотка каждого полюса должна иметь МДС

F доб = В к k δдоб δ доб /μ 0 + 0,5τА,

При расчете МДС добавочных полюсов обычно не учитывается возможность получения несколько ускоренной коммутации, так как требуемое ускорение достигается путем регулировки воздушного зазора при наладке машины.

Из-за значительной МДС F доб поток рассеяния добавочного полюса очень велик и превышает в 2 — 4 раза полезный поток, замыкающийся через якорь. Для уменьшения потока рассеяния, который может вызвать насыщение сердечника добавочного полюса, в крупных машинах кроме основного воздушного зазора δ доб1 делают второй зазор δ доб2 (рис. 8.37, а), устанавливая диамагнитные прокладки между сердечником полюса и ярмом. В этом случае

F доб = (В к1 k δдоб1 δ доб1 + В к2 δ доб2 )/μ 0 + 0,5τА,

При наличии компенсационной обмотки требуемая МДС добавочного полюса резко уменьшается, так как МДС компенсационной обмотки F к.о действует против МДС F aq реакции якоря:

F доб = (В к1 k δдоб1 + В к2 δ доб2 )/μ 0 + 0,5(τА — F к.о ).

Уменьшение требуемой МДС F доб позволяет сосредоточить витки обмотки добавочного полюса у якоря (рис. 8.37, б), что способствует снижению потоков рассеяния. Ширину наконечника добавочного полюса в малых машинах выбирают равной ширине зоны коммутации: b доб ≈ b з.к В крупных машинах с напряженной коммутацией ширину наконечника добавочного полюса выбирают относительно узкой: b доб = (0,3 ÷ 0,6)b з.к. При такой ширине добавочного полюса распределение индукции в зоне коммутации имеет вид, показанный на рис. 8.37, в, вследствие чего коммутирующая ЭДС в начале зоны коммутации и в конце значительно ниже среднего значения.

Рис. 8.37. Размещение катушек на добавочных полюсах (а, б) и распределение индукции В кв зоне коммутации (в): 1 — обмотка добавочных полюсов; 2 — добавочный полюс; 3 — диамагнитная прокладка; 4 — корпус (станина)

Рис.8.38. Сдвиг щеток с геометрической нейтрали (а) и кривая магнитного поля в машине без добавочных полюсов (б)

Это приводит к тому, что первая секция паза вступает в коммутацию, а последняя секция выходит из него со «ступенью малого. тока» (см. рис. 8.35, а), что благоприятно влияет на коммутацию, так как предотвращает разрыв тока при случайном нарушении контакта между пластиной и сбегающим краем щетки. Узкие добавочные полюсы требуют повышенной точности сборки машины и установки щеток, поэтому в машинах малой и средней мощности их не применяют.

В некоторых машинах небольшой мощности создание коммутирующей ЭДС осуществляют за счет сдвига щеток с геометрической нейтрали 0 — 0 на некоторый угол α за физи-ческую нейтраль 0′ — 0′ (рис. 8.38, а, б) так, чтобы коммутируемые секции оказались в зоне действия магнитного поля с индукцией — В рез требуемой величины и направления. В этом случае достигают безыскровой работы машины только для одного направления вращения и при одной определенной нагрузке. Изменять сдвиг щеток в зависимости от направления вращения и режима работы машины практически очень сложно.

Необходимость обеспечения удовлетворительной коммутации накладывает определенные ограничения на габаритные размеры и конструкцию машин постоянного тока. Практика электромашиностроения показывает, что можно достичь безыскровой коммутации лишь тогда, когда реактивная ЭДС в номинальном режиме не превышает некоторого предельного значения. Поэтому в крупных машинах и машинах, работающих при высоких частотах вращения, применяют одновитковые секции и делают неглубокие пазы (не более 4—6 см в наиболее мощных машинах) для уменьшения индуктивности секции. В ряде случаев для уменьшения реактивной ЭДС приходится ограничивать активную длину якоря и его окружную скорость. Все эти меры приводят либо к снижению мощности машины при заданных габаритах, либо к увеличению ее размеров и массы (при заданной мощности). Поэтому машины постоянного тока имеют меньшую мощность, чем машины переменного тока тех же габаритов; при мощности 100 — 1000 кВт это уменьшение составляет 20—25%. Попытки увеличить мощность, допустив увеличение степени искрения на коллекторе, приводят к резкому возрастанию эксплуатационных расходов. Условия коммутации ограничивают также предельную мощность, на которую можно построить машину постоянного тока (при заданной частоте вращения).

Чтобы уменьшить влияние технологических отклонений и вибраций щеток на качество коммутации, применяют обмотки с укороченным шагом и ступенчатые обмотки. В этих обмотках последняя секция паза одного слоя, заканчивая коммутацию, оказывается магнитно связанной с секцией другого слоя, кото­рая остается замкнутой щеткой. Вследствие этого под щеткой выделяется только часть электромагнитной энергии остаточного тока

W’ и = 0,5i 2 ост L р (1 — M с 2 /L с 2 ),

Поскольку технологические отклонения равновероятны в ту и другую стороны, недокомпенсация реактивной ЭДС е р.ср сменяется перекомпенсацией и поэтому накопления энергии W и не происходит. Коэффициент связи k св = M с /L с у секций с укороченным шагом достигает значения k св = 0,4 ÷ 0,6 (с учетом взаимной связи лобовых соединений), благодаря чему существенно уменьшается искрение под щетками. Однако при длительных нарушениях коммутации, когда погрешность Δ = [|е р.ср | — |е к.ср |]/|е р.ср | имеет один знак для трех — пяти пазов, последовательно заканчивающих коммутацию, взаимоиндуктивность указанных секций не имеет значения, так как коммутация секций одного паза не может улучшаться за счет коммутаций секций другого паза (если секции всех пазов коммутируют в одинаковых условиях). Преимуществом ступенчатых обмоток является также и то обстоятельство, что при их использовании происходит более равномерный износ коллектора, так как в пазу имеются две самостоятельные секции, а следовательно, и электромагнитная энергия, выделяющаяся при разрыве остаточного тока паза, распределяется на две коллекторные пластины (соответственно уменьшается их износ). Недостатком ступенчатых обмоток является сложность обеспечения «темной» коммутации, так как условия коммутации двух самостоятельных секций требуют в общем случае различного значения коммутирующей ЭДС. Таким образом, ступенчатые обмотки можно рекомендовать только при очень сложных условиях эксплуатации, характеризующихся работой с частыми нарушениями ком­мутации (толчкообразная нагрузка и т. п.).

Заметное улучшение коммутации происходит также из-за возникновения в проводниках обмотки якоря вихревых и контурных (в сложных обмотках) токов. Часть нескомпенсированной энергии коммутируемых секций выделяется в виде теплоты, создаваемой вихревыми токами, что должно быть учтено при расчете, путем уменьшения результирующей индуктивности секции.

Уменьшению искрения способствует увеличение длины коллектора, однако это ведет к увеличению габаритов и длины машины. Плотность тока под щетками не имеет существенного значения, однако не следует выбирать ее чрезмерной, так как при перегрузках возможен перегрев отдельных коллекторных пластин. Особенно опасно это явление для двигателей постоянного тока, работающих в условиях затяжных пусков (например, для тяговых двигателей электровозов, экскаваторов и т. п.). Во избежание перегрева отдельных пластин и возникновения деформации коллектора плотность тока под щетками при длительных перегрузках таких машин не должна превышать 20 А/см 2 .

На характер коммутации оказывает также влияние дифференциальный поток рассеяния, проходящий по коронкам зубцов, и поток главных полюсов. Дифференциальный поток рассеяния по коронкам зубцов Фz (рис. 8.39) замыкается через сердечник добавочного полюса. При вращении якоря изменяется положение середины паза с коммутируемыми секциями относительно сердечника (см. положения паза, показанные на рис. 8.39, а, б),

Рис. 8.39. Изменение дифференциального потока рассеяния, проходящего по коронкам зубов, при перемещении паза с коммутируемыми секциями: 1 — сердечник добавочного полюса; 2 — паз

что приводит к изменению потока Ф z и периодическому изменению индуктивности секции L c . Реактивная ЭДС при этом определяется выражением е р = — L c di/dt + idL c /dt и может существенно отличаться от средней ЭДС е р.ср . В результате возникает искрение под щетками. Для уменьшения дифференциального потока рассеяния целесообразно увеличивать зазор под добавочным полюсом. В машинах большой мощности этот зазор обычно делают равным 8—15 мм, соответственно увеличивая число витков обмотки добавочных полюсов. Иногда, для того чтобы уменьшить скорость изменения потока Ф z , на наконечники дополнительных полюсов устанавливают короткозамкнутые витки. Такой виток выполняют из меди или бронзы в виде фланца; он одновременно служит конструктивной деталью, крепящей катушку добавочного полюса. Однако, улучшая коммутацию в стационарных режимах, короткозамкнутые витки будут ухудшать коммутацию при резких изменениях тока якоря.

Влияние главных полюсов на процесс коммутации заключается в том, что поток Ф в , созданный обмоткой возбуждения, частично попадает в зону коммутации. При симметричной магнитной системе и чередующейся полярности главных полюсов, как это наблюдается обычно, результирующий поток в зоне коммутации не изменяется, т. е. сохраняется условие е р.ср + е к.ср = 0. Однако поле в зоне коммутации деформируется, усиливаясь, с одной стороны, и уменьшаясь, с другой. На рис. 8.40 показано распределение индукции В к в зоне коммутации: на рис. 8.40, а — созданной МДС F в главных полюсов; на рис. 8.40, б — результирующего магнитного поля, возникающего при совместном действии МДС F доб добавочных полюсов (оно показано на рис. 8.37, в) и МДС F в . Нарушение симметрии магнитного поля в зоне коммутации приводит к неблагоприятному характеру коммутации; при этом токосъем переносится на край щетки*.

* В генераторном и двигательном режимах чередование полярности главных и добавочных полюсов различно, чем и объясняется наблюдающаяся иногда разница в искрении щеток машины при генераторном и двигательном режимах.

Рис. 8.40. Распределение индукции В к в зоне коммутации

Еще большие расстройства коммутации могут возникнуть из-за нарушения магнитной симметрии машины, например, в результате технологических отклонений при установке щеткодержателей, главных или добавочных полюсов, когда изменяется поле в зоне коммутации. Чтобы уменьшить влияние поля главных полюсов на процесс коммутации, снижают значение полюсного перекрытия α = b i /τ так, чтобы соблюдалось условие (1 — α) τ ≥ 2,5b з.к . В машинах малой мощности, кроме того, увеличивают ширину наконечника добавочного полюса, который «экранирует» зону коммутации от потока главного полюса. В машинах с компенсационной обмоткой МДС главных полюсов меньше, а следовательно, влияние поля главных полюсов на процесс коммутации меньше. Это позволяет несколько увеличивать полюсную дугу, т. е. коэффициент полюсного перекрытия α i .

Особенно велико влияние поля главных полюсов на коммутацию в машинах с несимметричной магнитной системой и в машинах с расщепленными полюсами. При этом изменение потока возбуждения приводит к изменению результирующего потока в коммутационной зоне, а следовательно, и к изменению среднего значения коммутирующей ЭДС. Это обстоятельство затрудняет создание мощных машин с расщепленными полюсами (электромашинных усилителей и регулируемых одноякорных преобразователей).

Важную роль в процессе коммутации играют щетки, которые по своей физической природе являются нелинейными сопротивлениями. При быстром увеличении плотности тока под сбегающим краем щетки сопротивление щетки резко возрастает, что ведет к уменьшению остаточного тока или полному его устранению даже в том случае, когда коммутация является неидеальной. В электрических машинах большой и средней мощности применяют электрографитированные щетки с большим падением напряжения в скользящем контакте (2,4 — 3,5 В на пару щеток). Такие щетки получают в электропечах путем нагревания заготовок из угля и кокса до температуры 2000— 2500 °С, при этом они принимают структуру графита. На рис. 8.41 показаны типичные зависимости падения напряжения 2Δu щ в контакте «коллектор — щетка» от средней плотности тока Δ щ для электрографитированных (кривая 1)и угольно-графитных; (кривая 2) щеток, снятые при, медленном изменении тока.

Рис. 8.41. Вольт-амперные характеристики щеточного контакта

Соответствующим выбором марки щетки часто удается улучшить коммутацию машины. Основные правила, которыми руководствуются при выборе щеток, следующие:

1) для быстроходных машин постоянного тока применяют мягкие щетки со средним значением падения напряжения под ними (1,5-2,0 В);

2) для машин постоянного тока с затрудненной коммутацией используют твердые щетки с повышенным падением напряжения под ними (2,4 — 3,5 В);

3) для контактных колец применяют металлографитные щетки с малым падением напряжения (0,1—0,5 В). Технические данные наиболее часто используемых марок щеток и области их применения приведены в табл. 8.2. Подбор щеток обычно производится экспериментально.

При работе электрических машин в условиях повышенной вибрации и больших угловых частотах вращения коллектора (свыше 1500 об/мин) давление на щетку может быть повышено до 50 кПа. Плотность тока щетки должна выбираться в зависимости от частоты вращения коллектора и условий коммутации каждого конкретного типа электрической машины. Коэффициент трения щеток о коллектор принимается равным 0,25 для всех марок щеток.

Оценка коммутационной напряженности машины. Качество коммутации проверяется визуально или с помощью специальных приборов (индикаторов искрения) во время контрольных стендовых испытаний. Однако часто, чтобы составить прогноз работы машины в эксплуатации, необходимо оценить напряженность коммутации теоретически. Такая необходимость возникает как при проектировании машины, так и при выборе типа машины для определенного технологического процесса, характеризующегося величиной и частотой перегрузок, вибрациями машины, частотой пусков, реверсов и т. п.

Наиболее распространенным критерием напряженности коммутации является среднее значение реактивной ЭДС, так как искрение возникает из-за неполной ее компенсации. Однако вполне определенного допускаемого значения реактивной ЭДС установить не удается, и различные заводы и фирмы придерживаются своих норм, ограничивая значение этой ЭДС 3—10 В. Так, например, по рекомендациям завода «Электросила» в машинах большой мощности с петлевой и лягушачьей обмотками реактивная ЭДС при номинальной нагрузке не должна превышать 7—10 В (меньшие значения относятся к быстроходным машинам с п ≥ 3000 об/мин). При волновых обмотках, которые применяют в машинах с током до 400 А и в тихоходных машинах с большим числом полюсов, реактивная ЭДС не должна превышать 5 В. В машинах средней мощности с диаметром якоря до 30 см, в которых обычно применяют волновые обмотки с несколькими витками в секциях, значение е р.ср должно быть не более 2,5 — 3 В.

Другой критерий основан на определении электромагнитной энергии или мощности, выделяющейся под краем щетки при искрении в процессе коммутации. Электромагнитная энергия, выделяющаяся в возникающей дуге при разрыве остаточного тока i ост = 2i п Δ = 2u п i а Δ, составляет W и =0,5i 2 ост L с = 0,5(2u п i а Δ) 2 L с =2u п 2 i а 2 Δ 2 L с .

Соответствующая мощность, выделяющаяся под краем щетки при искрении и постоянно действующем расстройстве коммутации, P и = mW и где т — число разрывов остаточного тока в секунду.

Так как искрение возникает при коммутации тока в каждой последней секции паза, то каждый разрыв остаточного тока соответствует перемещению коллектора на u п коллекторных делений. Следовательно,

m = v к /(u п b к ) = Kv а /(u п πD а ).

При этом мощность

P н =	Kv a	2u п 2 i а 2 Δ 2 L с = u п i а Δ 2	2Kw c i a v a	L c = u п i a Δ2	Av a	L c
	u п πD а		πD а w c		w c

Величина Av a L c /w c = e р.п представляет собой реактивную ЭДС е р , вычисленную в предположении, что щетка перекрывает одну коллекторную пластину (по формуле 8.33а), поэтому P и = u п i a Δ2e р.п = i п Δ2 eр.п где i п = u п i a — полный ток во всех секциях, лежащих в каждом слое паза. Таким образом, при заданных технологий и условиях эксплуатации мощность, выделяющаяся под щеткой при искрении, зависит от полного тока паза 2i п и реактивной ЭДС, вычисленной в предположении, что b щ = t к . Для более полной оценки напряженности коммутации по величине мощности, выделяющейся под щеткой при искрении, необходимо учитывать коммутационные свойства щеток. При расстройстве коммутации и применении электрографитированных, графитных и угольно-графитных щеток искрение возникает равномерно по всей длине коллекторных пластин (при искрении коллекторные пластины обычно имеют по всей длине равномерный подгар с одного края), в результате чего происходит равномерная эрозия щеток и коллекторных пластин. Износ щетки зависит от удельной мощности, выделяющейся на единице длины края щетки:

р и.уд = i п Δ 2 e р.п /l щ = Δ 2 k щ .

При этом k щ = i п l р.п /l щ является показателем коммутационной напряженности машины. Обычно коммутация машины не вызывает затруднений, если k щ щ должно уточняться для каждого типа машины, исходя из особенностей технологии изготовления и условий эксплуатации. При этом должно учитываться демпфирующее действие вихревых токов в проводниках якоря, особенно заметное в машинах большой мощности. Проведенные исследования показывают, что если удельная мощность р и.уд , выделяющаяся под краем щетки, менее 1 Вт/см, то современные электрографитированные щетки уменьшают остаточный ток настолько, что искрение совершенно не наблюдается, т. е. для безыскровой коммутации необходимо, чтобы Δ 2 k щ ≤ 1 Вт/см. Из этого условия можно определить ориентировочное значение допустимой степени некомпенсации Δ пр ≈ ±1/√ k щ , или в %

Δ пр ≈ ±100/√k щ .

Режимы, при которых Δ пр ≤ 1 ÷ 2 %, неизбежно сопровождаются искрением под щетками. Интенсивность износа коллекторных пластин должна определяться значением k к = (k щ /z)2р, так как искрение, повреждающее данную пластину, возникает при выходе пластины из-под каждого щеткодержателя, число которых обычно равно числу полюсов 2р, а число искрящих пластин равно числу пазов z. Рекомендуется, чтобы предельно допустимое значение k к не превышало 20—30 Вт/см (при этом не происходит чрезмерного износа коллектора).

Экспериментальная проверка коммутации и настройка добавочных полюсов. Машины постоянного тока при выпуске с завода проходят контрольные испытания, в которые входит и проверка качества коммутации (обычно визуальная). Головные образцы машин проходят более основательную проверку. коммутации, в процессе которой путем изменения воздушных зазоров в магнитной цепи добавочных полюсов устанавливают оптимальную величину коммутирующей ЭДС.

Рис. 8.42. Схема экспериментальной установки для определения зоны безыскровой работы (а) и примерный вид этой зоны (б, в): Я1 — якорь исследуемой машины: ОВ1 — ее обмотка возбуждения; ДП — ее обмотка добавочных полюсов; Я2 — якорь вспомогательного генератора; ОВ2 — его обмотка возбуждения

Основным методом проверки и наладки коммутации является экспериментальное определение зоны безыскровой работы (путем подпитки обмотки добавочных полюсов). Для этого в обмотку добавочных полюсов от специального генератора (рис. 8.42, а) подают дополнительный ток ΔI (ток подпитки), вследствие чего изменяется ее МДС F доб . При этом изменяются индукция В к в зоне коммутации и коммутирующая ЭДС е к.ср . При проведении опыта, постепенно увеличивая МДС добавочных полюсов, добиваются появления искрения под щетками и фиксируют ток подпитки +ΔI. Затем изменяют направление тока подпитки и повторяют опыт, добиваясь снова появления искрения под щетками при токе — ΔI. Этот опыт проводят при постоянной частоте вращения и и различных значениях тока якоря. По полученным данным строят зону безыскровой работы машины (см. заштрихованную зону на рис. 8.42,б). Обычно при построении зоны безыскровой работы значение тока подпитки ΔI выражают в процентах от номинального тока якоря. Ширина зоны безыскровой работы характеризует устойчивость коммутации машины при случайных отклонениях условий коммутации от оптимальных, что всегда имеется в эксплуатации. При номинальном режиме предельная допустимая неточность компенсации реактивной ЭДС примерно равна половине ширины зоны безыскровой работы.

Обычно добавочные полюсы настраивают так, чтобы середина зоны безыскровой работы соответствовала току подпитки, равному нулю. Этому режиму соответствует слегка ускоренная коммутация. Исключение составляют машины, работающие в широком диапазоне изменения частоты вращения. В этом случае также нужно настраивать добавочные полюсы по средней линии зоны безыскровой работы, но зону снимать при частоте вращения машины, близкой к максимальной (рис. 8.42, б). При такой настройке добавочных полюсов в области малых частот вращения машина недокоммутирована, т. е. поле в зоне коммутации слишком слабое (средняя линия аb зоны безыскровой работы на рис. 8.42, в лежит в области положительных значений тока подпитки ΔI).

Это объясняется тем, что при снижении частоты вращения уменьшается абсолютное значение реактивной ЭДС и увеличивается роль падения напряжения в переходном контакте между щеткой и коллектором, которое не зависит от частоты вращения. В результате резко расширяется область допустимой перекоммутации, т. е. можно было бы увеличить МДС добавочных полюсов. Несоответствие МДС добавочных полюсов оптимальному расположению зон безыскровой работы при малых частотах вращения не имеет практического значения, так как в рассматриваемых режимах машина менее нагружена в коммутационном отношении и имеет более устойчивую коммутацию, чем при большой частоте вращения*.

* Это не относится к электродвигателям с последовательным возбуждением, в которых коммутационная напряженность машины определяется условиями эксплуатации и при малых частотах вращения может быть большей из-за увеличения тока якоря.

Похожие публикации:

1. Как проверить тестером abc 80 260m
2. Какие шины делают в россии
3. Скутер и мопед в чем разница
4. Что можно сделать с машиной